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        硅基集成光量子芯片技術解析

        中科院半導體所 ? 來源:中國物理學會期刊網 ? 2023-11-30 10:33 ? 次閱讀

        文章來源:中國物理學會期刊網 原文作者:強曉剛? 黃杰 王洋 宋海菁

        介紹了光量子芯片在未來實現可實用化大規模光量子計算與信息處理應用方面展示出巨大潛力,并對硅基集成光量子芯片技術進行介紹。

        摘要 光量子芯片技術采用傳統半導體微納加工工藝,可在單個芯片上集成大量光量子器件,實現量子信息處理應用,具有高集成度、高精確度、高穩定性等優勢?;诠杌?a href="http://www.elizabethlordphotography.com/v/tag/4854/" target="_blank">光學技術的硅基光量子芯片,得益于其CMOS可兼容、非線性效應強、超高集成度等特點,在未來實現可實用化大規模光量子計算與信息處理應用方面展示出巨大潛力。文章對硅基集成光量子芯片技術進行介紹,包括硅基集成光學基礎器件,硅基光量子芯片上光子的產生、操控和探測等技術,以及面向量子計算及量子信息處理應用方面大規模硅基光量子芯片技術的近期進展,并對面臨的技術挑戰與發展方向進行展望。

        1引 言

        量子信息技術是遵循量子力學規律調控量子信息單元進行信息的編碼、存儲、傳輸、處理等的新型信息技術。利用量子疊加、干涉以及糾纏等量子物理特性,量子信息技術展示出超越經典信息技術的巨大應用潛力,例如量子計算具有天然的并行性及超大的信息存儲能力,在大數質因子分解、數據庫搜索、生物化學模擬等應用中可實現超越經典的計算加速。線性光學量子系統是實現量子計算等量子信息應用的主要物理途徑之一,它的主要特點包括:光子具有很長的相干時間,不容易受到外界環境干擾而退相干;光子操控相對容易,利用線性光學元件可以實現對單光子的高精度操控;光子的多自由度可以用于編碼高維度量子信息;能夠在室溫下工作等?;诰€性光學量子系統,將單光子作為量子信息單元的載體,可以實現量子態的編碼、操控、傳輸以及探測,進而實現不同的復雜量子計算與量子信息處理應用。

        傳統上線性光學量子系統大都為分立元件系統,即在光學平臺上使用分立的體塊線性光學元件組合搭建形成,通過波片、透鏡、反射鏡等光學元件實現對光子的操控。分立元件量子光學系統不僅體積巨大,而且各個分立元件容易受到外界環境中溫度變化、機械振動等諸多因素的影響,系統的穩定性及可擴展性都受到很大的制約。集成光量子芯片技術就是為了克服分立元件量子光學系統的這些不足所提出來的,2008年英國布里斯托大學研究團隊首次實驗演示了集成光量子芯片技術[1]。借助于傳統半導體微納加工工藝,集成光量子芯片技術可將光學元件以薄膜形式集成到單個芯片上,不僅實現了線性光學量子系統的集成化,而且具有更高的精確度、更高的穩定性及更好的可擴展性,同時未來批量化生產也將使成本大大降低。因此,集成光量子芯片技術為實現未來實用化大規模、集成化的光量子計算與光量子信息處理應用提供了非??尚械募夹g途徑。

        集成光量子芯片的常用材料體系包括硅、氮化硅、二氧化硅、鈮酸鋰薄膜等多種材料體系?;诠杌牧象w系,特別是絕緣體上硅(siliconon-insulator,SOI)材料的集成光量子芯片技術,得益于其CMOS工藝可兼容、非線性效應強、集成密度高、可大規模生產等優勢,近年來發展非常迅速,備受矚目。面向未來大規模光量子計算與量子信息處理應用,硅基集成光量子芯片技術在器件集成規模、量子計算應用實現等方面取得了一系列進展,展示出巨大的發展潛力。目前整體上硅基光量子芯片已廣泛采用130 nm或更先進的工藝節點進行芯片加工。一系列器件數目達到數百乃至千級的大規???a target="_blank">編程硅基光量子芯片[2—5],以及以芯片為核心實現的軟硬件一體原型系統樣機[6]被研制出來,基于這些芯片或系統已經進行了豐富的量子計算與量子信息處理應用的實驗驗證。此外,硅基集成光學技術在光通信、光計算等經典信息領域也具有廣泛的應用,這些需求共同推動了當前硅基集成光學技術的快速發展。

        2硅基集成光學基礎器件

        與分立元件線性光學系統是由波片、分束器、透鏡、反射鏡等各種基礎元件組合而成一樣,一個復雜的光量子芯片也包含不同種類的集成化光學器件。硅材料具有很強的三階非線性效應和緊致模式約束特性,利用半導體微納加工工藝,可以實現高密度片上集成的光量子芯片基礎器件,如光波導、光分束器、光耦合器、光調制器等,如圖1所示。

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        圖1 硅基集成光學基礎器件 (a)條型光波導;(b)脊型光波導;(c)1×2光分束器;(d)陣列波導光柵波分復用器;(e)端面耦合器;(f)光柵耦合器;(g)電光效應調制器;(h)熱光效應調制器

        光量子芯片上最基礎的器件是光波導,通過它來連接片上集成的其他光學器件,光波導性能直接決定光信號的傳輸質量。常用的光波導有條型波導、脊型波導,其中條型波導結構簡單緊湊,極限彎曲半徑較小,主要用于一般的無源光器件(圖1(a));脊型波導具有較大的橫向尺寸,能夠以較低的耦合損耗與單模光纖進行端面耦合,被廣泛使用在有源光器件中(圖1(b))。目前,國內外主要半導體代工廠發布的硅光工藝設計工具包(process design kit,PDK)中條形光波導的損耗約為1.5 dB/cm,隨著硅光微納加工技術的進步,光波導加工精度和損耗水平還在不斷提升。Cardenas等人采用選擇性氧化技術制備了側壁寬度變化僅為0.3 nm的超光滑光波導[7],該波導在1.55 μm波長處的傳輸損耗低至0.3 dB/cm,驗證了SOI材料平臺實現極低損耗光波導的可能性。

        光或光子在芯片光波導中傳輸時,通過光分束器件實現光能量、波長、偏振等的路由、分束及合束功能。常用的光分束器結構包括多模干涉耦合器(multimode interferometer,MMI)、定向耦合器或Y分支結構等。MMI結構由于具有帶寬大和穩定性好等優勢,目前應用最為廣泛。Sheng等人在2012年設計實現的1×2 MMI光能量分束器,其損耗約為0.06 dB(圖1(c))[8]。Yao等人在2021年采用粒子群算法對多通道MMI光能量分束器的輸入輸出波導結構進行了優化[9],獲得了良好的均勻性和較低的損耗,實驗測試結果表明,1×8光能量分束器在超過100 nm帶寬范圍內,一致性為0.19—0.83 dB?;诠夥质鞯募晒饬孔有酒ǚ謴陀闷鱗10]和偏振控制器[11]也被廣泛研究(圖1(d)),可分別用于實現光子波長、偏振等自由度的操控。例如,Ding等人在2013年設計了基于漸變波導和MMI結構的偏振分束旋轉器[11],最小插入損耗為0.6 dB。為進一步提高器件性能,縮小器件尺寸,拓展器件功能和用途,Huang等人利用逆向設計方法[12]設計了全新的多功能聚焦波長分束器[13]和可擴展偏振分束器[14],其中聚焦波長分束器可以同時實現光模式的聚焦和光波長的分束,可擴展偏振分束器則能在0.48 μm×6.4 μm的器件尺寸下實現C波段、L波段和O波段的光偏振分束。

        光耦合器則主要用于實現芯片與外部器件的互連,常用的光耦合器包括端面耦合器和光柵耦合器(圖1(e),(f))。其中端面耦合器是通過在芯片端面優化設計漸變耦合結構,具有耦合光偏振不敏感和耦合帶寬大的優點,Cheben等人2015年實現的硅光體系端面耦合器中光場耦合損耗最低可降至0.32 dB/facet,偏振無關耦合帶寬大于100 nm[15]。光柵耦合器是利用特定的光柵結構以一定垂直角度實現光波到芯片的耦合輸入/輸出,具有設計實現簡單、位置布局靈活和對齊對準容差較大的優勢。Ding等人在2013年設計了一種啁啾漸變的光子晶體光柵,實現了1.74 dB/facet的超低損耗[16]。目前光柵耦合器的用途也在不斷擴展,如二維光柵耦合器可以實現偏振自由度與路徑自由度的轉換[17],Sun等人在2023年設計了具有偏振分束功能的光柵耦合器[18]。

        硅光體系可以通過多種方式實現光調制/相移器件?;诘入x子體色散效應的載流子耗盡型電光效應調制器,可實現低功耗條件下的GHz高速光調制,但光損耗相對較大(圖1(g))[19]?;诠獠▽细采w電阻發熱實現相位調制的熱光效應相移器[20],調制速度相對較慢,但工藝簡單、尺寸小、功耗低(10—100 mW量級)[21],且其器件功耗通過挖槽[22]和波導纏繞[23]等工藝可以降至幾mW量級(圖1(h))。此外,基于光波導物理形變效應的微機電系統(MEMS)結構調制器光學損耗低,但工藝復雜且器件尺寸相對較大[24]。通過調制器件與光分束器件組合,可以進一步實現馬赫—曾德爾干涉儀,是硅光量子芯片實現芯片編程配置的核心器件,是影響計算精度的關鍵因素。2016年Wilkes等人設計了基于級聯結構的馬赫—曾德爾干涉儀[25],該器件可實現對加工誤差的有效自動補償,實現了大于60 dB的消光比。

        3硅基光量子芯片的主要組成

        前文介紹的基礎器件為實現硅基光量子芯片提供了最基本的器件基礎,利用這些基礎器件實現大規模的量子計算、量子模擬等應用,核心就是要實現硅基光量子芯片上的光子產生、光子操控以及光子探測,下面進行具體的介紹。

        3.1 硅基光量子芯片上的光子產生硅波導具有很強的三階非線性效應,在硅基光量子芯片上可以通過自發四波混頻(spontaneous four-wave mixing,SFWM)過程來實現光子的產生(圖2(a))。在SFWM過程中,兩個泵浦光子湮滅產生頻率關聯的信號—閑頻光子對,將其中一個光子用作預報,就可以實現預報型的單光子源[26—29]。單波長泵浦SFWM光子源產生的信號和閑頻光子頻率非簡并,即頻率不一致[30—33],而通過雙波長泵浦可以產生頻率一致的光子對[33—36]。常用的光子源結構包括長直波導結構和微環諧振腔結構,前者常設計成“蚊香”狀(圖2(b)),所生成的光子頻譜寬,而后者占用片上面積更少(圖2(c)),所生成的光子頻譜窄,但對加工精度等的要求也更高。通過使用包含相移器的微環光子源結構設計,能夠對片上光子源的純度、亮度等進行提升[37—40],也能夠用于產生片上可配置的糾纏光子對[2,3]。得益于SOI微納加工工藝,片上集成的SFWM單光子源通??梢员3趾芎玫囊恢滦?,用于產生片上預報型全同光子[29]和高維糾纏光子對[5]。糾纏光子源是量子光學研究和光量子信息技術應用的重要資源,在硅基光量子芯片上,通過相干泵浦多個單光子源可以方便地實現路徑糾纏的光子態制備[5,41]。2019年,中國科學技術大學任希峰團隊利用多模硅波導中的SFWM過程實現了片上橫模糾纏光子對源,橫模糾纏可以相干轉換為路徑糾纏和偏振糾纏,這為片上實現高維多自由度量子態提供了新途徑[42]。

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        圖2 硅基光量子芯片功能模塊 (a)自發四波混頻;(b)螺旋結構光子源;(c)不等臂干涉儀耦合微環光子源;(d)不同編碼自由度;(e)路徑編碼量子態制備和操控;(f)硅基芯片集成超導納米線單光子探測器(SNSPD)示意圖

        光量子芯片上多光子產生技術正在不斷發展。2019年,英國布里斯托大學團隊在硅基光量子芯片上集成了4個長波導光子源,通過符合探測8光子實現了片上4個預報型全同光子,并進行了玻色采樣實驗[29]?;赟FWM效應的光子源只能概率性地產生光子,產生效率較低,但可以通過時域[43,44]、波長[45]或者空間[46]復用技術來提升預報光子率,其關鍵技術挑戰在于片上低損的高速光開關等片上器件的實現。此外,固態單光子源如色心、半導體量子點等光子源方案原理上可以確定性地產生單光子,固態單光子源與硅基光波導的集成也是目前正在快速發展的片上單光子源實現途徑[47—52]。

        3.2 硅基光量子芯片上的光子操控光子具有偏振、模式、路徑、時間、頻率等多種自由度可以用于編碼量子態。在硅基光量子芯片上,已經能夠實現對光子的多種自由度進行量子態編碼與操控。利用光子在并行傳輸的多根光波導中的路徑信息可實現路徑編碼的光子態[5,33],通過片上馬赫—曾德爾干涉儀及相移器的不同組合結構就可以實現對路徑編碼量子態的任意調控(圖2(d))[2]。波導中的橫電場和橫磁場可以構成一組偏振本征態[53],通過偏振控制器件[54—56]實現偏振編碼量子態的調控。多模波導的多個本征模式也可以用來編碼量子信息[57,58],并且實現了基于模式調控的受控非門(controlled-NOT,CNOT)[59]。通過硅光量子芯片上實現光延時線,可以利用光子的時間自由度實現時分編碼(time-bin)的量子態制備與操控[60]。光學諧振腔可以用來產生編碼光子態的頻率本征態[61]。在光量子芯片上,還可以將多種自由度操控結合起來,通過實現多自由度高維光量子態的制備與操控來提升光量子芯片的信息編碼與處理能力。

        針對不同的量子信息應用,使用不同的編碼自由度可以更好地發揮優勢,如使用偏振和時間編碼可以保證光量子芯片間通過光纖進行量子信息傳輸的魯棒性,而路徑編碼則由于設計簡單、易于實現高精度的可編程操控等優勢,目前多用于大規模集成硅光量子計算芯片設計。在硅光量子芯片上使用路徑編碼量子態可在片上構建可實現任意幺正變換的大規??膳渲镁€性光學網絡,來實現通用的量子幺正操作(圖2(e))[62,63],這類片上可配置光學網絡主要分為三角形架構[62,64]和正方形架構[63,65]。在大規模硅光量子芯片上實現通用兩比特計算[2]、高維量子態制備[5]、量子邏輯門[64]、量子漫步[3]、量子模擬[65,66]、玻色采樣[29]、深度學習[67]等一系列量子計算或模擬應用中均采用路徑編碼實現的可配置光學網絡。

        3.3 硅基光量子芯片上的光子探測光子探測是將光子信號轉換成電信號,是實現量子態信息讀取的重要步驟。雪崩光電二極管(avalanche photodiodes,APD)和超導納米線單光子探測器(superconducting nanowire single photon detector,SNSPD)是量子計算、量子通信等領域常用的兩種單光子探測器件,APD可以工作在室溫條件下但探測效率低。SNSPD可以實現從可見光到中紅外波段的高探測效率、低抖動時間、低暗計數的單光子探測,它通過將納米線冷卻到其超導轉變溫度后實現光子探測,因此工作溫度通常在1.5—4 K。目前絕大多數光量子芯片僅單片集成實現了片上光子產生與光量子態的編碼和操控,而光子探測則是通過光纖與片上集成的光耦合器進行耦合,將光子導入外部的單光子探測器設備進行探測。將SNSPD與光量子芯片集成的光子探測正在不斷發展[68,69]。2012年,通過將SNSPD直接構造在硅波導上的方式,混合集成實現了硅基芯片光子探測效率91%、抖動時間18 ps、暗計數50 Hz的優異性能(圖2(f))[68]。

        除了工作在低溫環境的SNSPD,近期硅上鍺波導耦合的APD在125 K溫度下實現了對1310 nm波長38%的探測效率[70],為未來室溫條件下的集成光量子應用提供了可能性。另一方面,瞄準光子產生、操控以及探測集成于單個芯片的目標,光子源、光子線路以及單光子探測器的全集成光量子芯片也在快速發展[71—73],目前已經通過毫米級倒裝工藝實現了光量子線路和10個低抖動時間SNSPD的集成,平均探測效率超過10%[72]。

        4大規模硅基集成光量子芯片進展

        硅基集成光量子芯片受益于硅基集成工藝相對成熟的技術基礎,芯片上集成的器件規模和種類都快速增長,在過去10余年間,單個硅基光量子芯片上集成的器件數目從數十個已經增長到數百個乃至千級,顯示出快速的增長趨勢,如圖3所示。同時,通過對芯片上大量集成的相移器、調制器等可配置器件進行操控,硅基光量子芯片可以通過動態編程來實現復雜的量子計算與量子信息處理等任務。硅基光量子芯片技術的大規模集成、可編程配置等優勢,推動其在基于光學系統的量子計算、量子模擬以及量子信息處理等應用方面取得了一系列進展。

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        圖3 硅基光量子芯片集成器件數目隨時間增長情況

        4.1 量子計算與量子模擬應用硅基光量子芯片技術為實現大規模光量子計算應用提供了有效的技術途徑,利用硅基光波導非線性效應實現的SFWM光子源,可以實現片上糾纏光子對的產生與操控[33],通過編程配置片上集成的線性光學網絡就可以制備光量子態、實現量子光學幺正操作[29,64],這使得大規??删幊痰募苫饬孔佑嬎阒饾u成為現實。2018年,軍事科學院強曉剛等基于大規模硅基集成光學技術實現了國際首個通用兩比特硅基光量子計算芯片[2],如圖4(a)所示,芯片上集成了包括單光子源、濾波器、熱光相移器、光分束器、光耦合器等200多個器件,通過使用幺正算符疊加與高維光量子態編碼結合的量子計算架構,在單個芯片上實現了糾纏光子的產生、光量子態制備、操控以及投影測量,首次實現了基于線性光學系統的通用兩比特量子計算?;谛酒M行了約10萬次編程配置,所實現的98個兩比特量子門的平均保真度超過93%,系統性展示了硅基光量子芯片技術實現大規模、高精度、可編程光量子計算的可行性。硅基光量子芯片上易于實現高維光量子態編碼與操控的特點,為片上光子資源受限情況下不斷提升芯片量子計算能力提供了基礎。利用片上路徑編碼的高維光量子態的編碼與操控,2020年南京大學馬小松等基于硅基光量子芯片實現了雙光子三維糾纏態(2-Qutrit)并演示了多種量子信息應用[74],如圖4(b)所示。2022年北京大學王劍威等進一步實現了基于四維光子糾纏態(2-Qudit)的可編程硅光量子計算芯片,其中每個Qudit為4維光量子態,芯片可等效實現4量子比特的量子計算應用[75],如圖4(c)所示。同時,硅基光量子芯片技術也非常適合通過對預先制備的大規模糾纏量子態中的量子比特進行逐次測量來實現通用量子計算的方案[76,77],這為未來通用可容錯光量子計算奠定了基礎。

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        圖4 面向量子計算與量子模擬的大規模硅基光量子芯片 (a)通用兩比特硅基光量子計算芯片[2];(b)2-Qutrit硅基光量子芯片[74];(c)2-Qudit硅基光量子計算芯片[75];(d)面向玻色采樣任務的硅基光量子芯片[29];(e)通用量子漫步模擬硅基光量子芯片[3];(f)軟硬件一體的圖論問題應用硅基光量子計算芯片原型系統[6]

        面向量子模擬、人工智能等特定領域的專用量子計算是當前量子計算研究的重要方向,有望比通用量子計算機更早地獲得應用,面向特定應用的專用硅光量子計算芯片近年來取得不少進展。在量子模擬方面,大規模集成的硅基光量子芯片能夠構建復雜量子光學系統,從而用于實現復雜的量子物理實驗驗證與量子模擬應用。2018年,王劍威等通過在硅基光量子芯片上集成了16個單光子源與光學網絡,實驗實現了雙光子高維路徑糾纏量子態的制備與操控[5],并基于硅基光量子芯片實驗演示了高維光量子態的延遲選擇實驗[78]。Harris等利用硅基光芯片上規?;傻鸟R赫—曾德爾干涉儀網絡實現了量子輸運現象的實驗模擬[66]。Paesani等在硅基光量子芯片上實現了8光子的玻色采樣算法及化學分子動態演化模擬[29],如圖4(d)所示。在光量子芯片上還可以通過光子的波長、偏振和時間等自由度來模擬量子系統的自旋、能級和相互作用等特性。利用可編程的硅基光量子芯片,量子相位估計、變分量子本征值求解等量子算法被用來實現分子哈密頓量特征值、特征向量等信息的求解[41,79,80]。將目標哈密頓量的演化過程映射為特定圖上量子漫步演化過程的量子漫步模型量子模擬算法也在硅基光量子芯片上進行了實驗驗證,演示了拓撲絕緣體的拓撲相位[6]、時間反演對稱破缺對量子輸運增強等的模擬[65]。2023年,王劍威等基于量子圖糾纏態理論實現的硅基可編程光量子芯片,實現了基于圖論的光量子計算和信息處理功能、多光子高維量子糾纏制備以及可編程玻色采樣專用量子計算[4]。

        采用專用量子計算模型的大規模硅基光量子計算芯片在大數據處理、人工智能領域中也展示出顯著的應用潛力。2019年,Steinbrecher等提出一種光量子神經網絡架構,將機器學習神經網絡特征映射到量子光學領域[81]。2022年,Zhang等在硅基光量子芯片上采用量子自編碼器,實現了高維量子態的壓縮和隱形傳態[82]。量子漫步(quantum walk,QW)作為一種專用量子計算模型,可用于量子模擬及量子算法設計,特別地通過將圖論問題求解與光子的量子漫步演化過程聯系起來,量子漫步模型及算法展示出巨大的應用潛力?;诹孔勇侥P偷牧孔铀惴梢杂糜趫D頂點搜索[83,84]、圖節點中心度排序[85,86]、圖同構判定[87]等圖論問題應用。2021年,強曉剛等基于硅基集成光學技術實現了國際首個面向圖論問題應用的可編程硅基光量子芯片,如圖4(e)所示,可實現通用多粒子量子漫步的可編程動態模擬,能夠同時對演化時間、哈密頓量、粒子全同性及交換特性等量子漫步演化要素進行完全調控,實驗實現了最大25節點圖上的頂點搜索、圖同構判定等圖論問題的量子算法求解[3]。在此基礎上,2022年強曉剛與中國人民解放軍國防科技大學吳俊杰團隊等進一步實現了規模更大的可編程硅基光量子芯片,芯片集成器件規模達到千級,并以芯片為核心構建了軟硬件一體的全棧式光量子計算系統,可模擬最大節點數達400的圖上的任意量子漫步演化過程以及量子漫步算法,基于系統實驗實現了數百節點規模復雜網絡上的圖論問題量子算法求解[6],如圖4(f)所示。

        4.2 量子信息處理應用集成光量子芯片技術同樣為量子密鑰分發(quantum key distribution,QKD)、量子糾纏分發、量子精密測量等量子信息應用的實現提供了集成化、小型化的技術途徑?;诠杌饬孔有酒夹g,多種QKD協議應用被實現,包括離散變量QKD、連續變量QKD、測量設備無關QKD以及高維QKD協議等,展示出硅基光量子芯片技術在QKD領域的應用潛力。2017年,英國布里斯托大學團隊基于硅基光量子芯片技術實現了多種QKD協議,包括相干單向(coherent-one-way,COW)QKD、偏振編碼BB84QKD以及時間編碼BB84QKD協議(圖5(a))[88]。2019年,新加坡南洋理工大學團隊實現了基于硅基光量子芯片的連續變量量子密鑰分發(CV-QKD,圖5(b))[89]。2020年,中國科學技術大學團隊則基于硅基光量子芯片技術,實驗實現了與測量設備無關的量子密鑰分發(MDI-QKD)協議(圖5(c)),實驗演示的通信碼率可達1.25 GHz[90]。Ding等基于硅基光量子芯片和多芯光纖,實驗演示了基于空分復用的高維量子密鑰分發協議,該方案可以在光纖長度較短的情況下實現高速、高效、高保真的高維量子密鑰分發[60]。

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        圖5 面向量子通信與量子測量的硅基光量子芯片 (a)面向相干單向QKD、偏振編碼BB84QKD以及時間編碼BB84QKD協議的硅基光量子芯片[88];(b)面向連續變量QKD的硅基光量子芯片[89];(c)面向MDI-QKD的硅基光量子芯片[90];(d)硅基光量子芯片間實現光子態傳輸與糾纏分發[91],其中芯片A產生路徑糾纏光子對,并將其中一個光子轉化為偏振編碼后經光纖傳輸至芯片B,芯片B將接收到的偏振編碼光子態轉換為路徑編碼并進行投影測量,左下角蚊香狀波導結構為片上四波混頻光子源器件;(e)基于硅基及硅上鍺材料光量子芯片的量子壓縮光測量[96]

        在硅基光量子芯片上可以實現光子多自由度的操控及轉換,如通過芯片上路徑編碼與偏振、軌道角動量等編碼量子態的轉換,能夠實現光量子糾纏態在不同芯片間的傳輸,進而實現不同光量子芯片間的互連。2016年英國布里斯托大學團隊利用芯片上集成的2維光柵實現了路徑編碼光量子態到偏振編碼光量子態的轉換,展示了兩個硅基光量子芯片間高保真度的糾纏分發與光量子態操控[91]。目前基于硅基光量子芯片技術已經可以實現芯片間的高維度量子隱形傳態、多光子量子糾纏[92,93]。2022年,新加坡南洋理工大學團隊在硅光量子芯片上集成量子自編碼器和解碼器功能,以壓縮—傳輸—解壓縮的方式實現了3維光量子態的壓縮傳輸和量子隱形傳態[82]。這些進展為未來光量子信息網絡及分布式量子信息處理奠定了基礎[94]。

        硅基光量子芯片可在片上實現量子糾纏態的生成與精確操控,如圖5(d)所示,不僅可以實現單光子編碼的量子態,還可用于實現壓縮態操控,從而為高精度、高靈敏度、高穩定的光學傳感提供了新的途徑,以及用于量子隨機數生成器、量子傳感器等應用中。例如通過將零差探測器(homodyne detector)集成到硅基光量子芯片上,就可以用于量子態測量和隨機數生成[95]。2020年,Tasker等基于硅基及硅上鍺等光量子芯片技術實現了高精度的量子壓縮光測量,如圖5(e)所示,散粒噪聲極限超過9 GHz[96]。Payne等提出了一種硅和氮化硅光波導異質集成的光子溫度傳感芯片,有望實現高精度的溫度測量[97]。

        5總結與展望

        硅基集成光量子芯片技術以傳統硅基集成工藝為基礎,通過在單個芯片上集成化實現光子的產生、操控以及探測,為大規模光量子計算及量子信息處理實現提供了有效途徑。硅基光量子芯片在過去10余年間的集成規模與計算能力也快速增長,展示出了巨大的應用潛力。大規模硅基集成光量子芯片的進一步發展也面臨著多方面的技術挑戰:一是核心器件的設計優化,隨著芯片集成規模的增加,芯片上單個器件的性能、體積、損耗都對芯片整體性能產生影響,需要發展更高性能、更小體積、更低損耗的光量子器件;二是大規模硅基光量子芯片優化設計與模擬仿真,當前光量子芯片設計主要依靠設計人員的設計經驗進行,計算機輔助設計技術相對初級,需要發展計算機輔助設計技術來進行大規模硅基光量子芯片的優化設計與模擬仿真;三是大規模硅基光量子芯片的器件標定與封裝測試,芯片器件的精確標定直接影響著光量子芯片的整體性能,隨著芯片規模的不斷增大,需要實現器件的快速精確標定,同時芯片的光電封裝技術以及與電子控制芯片的混合封裝等也是影響硅基光量子芯片實用化發展的重要因素。

        硅光集成技術除了為光量子計算實現帶來全新的技術路線,在經典光通信、光計算等領域也具有巨大應用潛力,國內外傳統半導體廠商和研究機構也不斷加速硅光集成工藝方面的研究,進一步地推動硅基集成光量子芯片技術的實用化進程發展。一方面,未來包含激光器、單光子源、光量子網絡以及單光子探測等功能,以及與硅基電子芯片混合集成的全系統集成硅基光量子芯片隨著技術的發展有望得到實現;另一方面,突破單一材料體系限制,結合多種材料體系的異質集成光量子芯片技術也在不斷發展,有望發揮不同材料體系的特性與優點,共同推進大規模實用化集成光量子計算與量子信息處理芯片的早日實現。

        審核編輯:湯梓紅

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        原文標題:硅基集成光量子芯片技術

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